DE102009027221A1 - Method for adjusting ultrasonic sensors - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgleich von mindestens zwei Ultraschallsensoren (5), die so zueinander positioniert sind, dass die von einem Ultraschallsensor (5) gesendeten Signale auch von mindestens einem weiteren Ultraschallsensor (5) empfangen werden können, bei dem zunächst die Resonanzfrequenz aller eingesetzten Ultraschallsensoren (5) gemessen wird und eine Sendefrequenz für jeden der Ultraschallsensoren (5) verwendet wird, die der Resonanzfrequenz des sendenden Ultraschallsensors (5) und mindestens einem dem sendenden Ultraschallsensor (5) benachbarten Ultraschallsensor (5) ähnlich ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung (1) zur Messung des Abstands zu einem Gegenstand, umfassend mindestens zwei Ultraschallsensoren (5), wobei die Ultraschallsensoren (5) als Sender und als Empfänger eingesetzt werden können und derart angeordnet sind, dass zumindest zu einem sendenden Ultraschallsensor (5) benachbarte Ultraschallsensoren (5) die gesendeten Impulse empfangen können, und wobei zum Frequenzabgleich jeder der Ultraschallsensoren (5) einen internen Mikrocontroller (7) umfasst.The invention relates to a method for balancing at least two ultrasonic sensors (5) which are positioned relative to one another such that the signals transmitted by an ultrasonic sensor (5) can also be received by at least one further ultrasonic sensor (5), in which first the resonance frequency of all used ultrasonic sensors (5) is measured and a transmission frequency for each of the ultrasonic sensors (5) is used, which is similar to the resonant frequency of the transmitting ultrasonic sensor (5) and at least one ultrasound sensor (5) adjacent to the transmitting ultrasonic sensor (5). The invention further relates to a device (1) for measuring the distance to an object, comprising at least two ultrasonic sensors (5), wherein the ultrasonic sensors (5) can be used as transmitter and receiver and are arranged such that at least to a transmitting ultrasonic sensor (5) adjacent ultrasonic sensors (5) can receive the transmitted pulses, and wherein for frequency adjustment of each of the ultrasonic sensors (5) comprises an internal microcontroller (7).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgleich von mindestens zwei Ultraschallsensoren, die so zueinander positioniert sind, dass die von einem Ultraschallsensor gesendeten Signale auch von mindestens einem weiteren Ultraschallsensor empfangen werden können. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Messung des Abstandes zu einem Gegenstand, umfassend mindestens zwei Ultraschallsensoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6 und eine Verwendung der Vorrichtung.The The invention relates to a method for balancing at least two Ultrasonic sensors that are positioned to each other so that the signals transmitted by an ultrasonic sensor also of at least another ultrasonic sensor can be received. Furthermore, the invention relates to a device for measuring the Distance to an object comprising at least two ultrasonic sensors according to the preamble of claim 6 and a Use of the device.

Bei Ultraschallsensoren, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, wird mittels elektrischer Impulse eine Piezo-Membran in Schwingung versetzt. Diese Schwingung dient der Schallabstrahlung. Im Anschluss an die Schallabstrahlung muss die Membran möglichst schnell zum Stillstand gebracht werden, damit der an einem Objekt reflektierte Schall auf die stehende Membran auftrifft und diese erneut in Schwingungen versetzten kann. Auf diese Weise kann der Ultraschallsensor gleichzeitig als Sender und als Empfänger verwendet werden. Um den Einsatz als Sender und Empfänger zu ermöglichen, ist es erforderlich, dass das Abklingen der ursprünglichen Schwingung schnell erfolgt. Hierzu ist es zum Beispiel möglich, die Rückseite der Membran mit einem Schaum zu befüllen, der die Membran dämpft, so dass diese schneller zum Stillstand kommt. Nachteil ist jedoch, dass der Schaum schwierig handhabbar ist und hohe Ausfallquoten verursacht und die Membran immer bedämpft wird, d. h. auch beim Empfangen von Signalen. Zudem muss die Dämpfung durch den Schaum mit einem sehr großen Ansteuersignal von ungefähr 40 V kompensiert werden, wodurch die Bauteile erheblich verteuert werden.at Ultrasonic sensors, as known from the prior art, By means of electrical impulses, a piezo membrane is set in vibration. This vibration is used for sound radiation. Following the Sound radiation must the membrane as quickly as possible Standstill be brought so that the reflected sound on an object impinges on the stationary membrane and these vibrate again can offset. In this way, the ultrasonic sensor can simultaneously be used as a sender and as a receiver. To the use as transmitter and receiver, it is required that the decay of the original vibration done quickly. For this it is possible, for example, the Fill the back of the membrane with a foam, which dampens the membrane so that it comes to a standstill faster. The disadvantage, however, is that the foam is difficult to handle and causes high failure rates and always dampens the diaphragm is, d. H. also when receiving signals. In addition, the damping must through the foam with a huge drive signal of about 40 V can be compensated, reducing the components be considerably more expensive.

Ein weiteres Problem ist die Tatsache, dass die Ultraschallsensoren selbst temperaturabhängige elektrische Eigenschaften aufweist. Als Folge davon ändert sich auch die Frequenz, bei der der Sensor am effektivsten arbeitet, die so genannte Resonanzfrequenz. Zudem unterliegt die Resonanzfrequenz diversen Streuungen der Herstellungsparameter. Um dies auszugleichen wird derzeit jeder einzelne Sensor in der Fertigung abgeglichen beziehungsweise selektiert. Jedoch ist auch dieser Abgleich nicht in der Lage, die Temperaturabhängigkeit auszugleichen. Zur Verbesserung des Ultraschallsensors ist es derzeit bekannt, diesen aktiv zu bedämpfen, geregelt zu schwingen oder mehrere Konfigurationen, die optional eingesetzt werden können, im Ultraschallsensor abzuspeichern.One Another problem is the fact that the ultrasonic sensors even has temperature-dependent electrical properties. As a result, the frequency changes as well the sensor works most effectively, the so-called resonant frequency. In addition, the resonance frequency is subject to various variations of the production parameters. To compensate for this is currently every single sensor in the Production aligned or selected. However, too this balance is not capable of temperature dependence compensate. To improve the ultrasonic sensor, it is currently known to damp this actively, to swing regulated or multiple configurations that can be used optionally store in the ultrasonic sensor.

Bei Verwendung der Ultraschallsensoren zum Beispiel in einer Einparkhilfe für Kraftfahrzeuge, ist es erwünscht, dass mehrere Sensoren jeweils die gesendeten Impulse eines der Sensoren empfangen können. Hierzu ist es notwendig, dass alle verwendeten Sensoren mit ähnlicher Frequenz arbeiten. Hierzu werden die Sensoren derzeit einem Selektionsprozess unterzogen, bei dem es jedoch noch zu erhöhten Ausfallraten kommen kann.at Use of the ultrasonic sensors, for example in a parking aid For motor vehicles, it is desirable that several Sensors can each receive the transmitted pulses of one of the sensors. For this it is necessary that all sensors used with similar Frequency work. For this purpose, the sensors are currently undergoing a selection process but it still leads to increased failure rates can come.

Ein Verfahren zur Kalibrierung eines Ultraschallsensors ist zum Beispiel in US 2005/188743 beschrieben. Das Verfahren wird jedoch nur für einen Ultraschallsensor eingesetzt. Wie mehrere Ultraschallsensoren aufeinander abgestimmt werden können, geht aus der Beschreibung nicht hervor.A method for calibrating an ultrasonic sensor is, for example, in US 2005/188743 described. However, the method is used only for an ultrasonic sensor. How multiple ultrasonic sensors can be matched, is not apparent from the description.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Abgleich von mindestens zwei Ultraschallsensoren, die so zueinander positioniert sind, dass die von einem Ultraschallsensor gesendeten Signale auch von mindestens einem weiteren Ultraschallsensor empfangen werden können, umfasst folgende Schritte.

  • (a) Messen der Resonanzfrequenz aller eingesetzten Ultraschallsensoren,
  • (b) Verwenden einer Sendefrequenz für jeden der Ultraschallsensoren, die der Resonanzfrequenz des sendenden Ultraschallsensors und mindestens einem dem sendenden Ultraschallsensor benachbarten Ultraschallsensor ähnlich ist.
A method according to the invention for balancing at least two ultrasound sensors which are positioned relative to one another such that the signals transmitted by an ultrasound sensor can also be received by at least one further ultrasound sensor comprises the following steps.
  • (a) measuring the resonant frequency of all the ultrasonic sensors used,
  • (b) using a transmit frequency for each of the ultrasonic sensors that is similar to the resonant frequency of the transmitting ultrasonic sensor and at least one ultrasonic sensor adjacent to the transmitting ultrasonic sensor.

Durch die Verwendung einer Sendefrequenz für jeden der Ultraschallsensoren, die der Resonanzfrequenz des sendenden Ultraschallsensors und mindestens einem der dem sendenden Ultraschallsensor benachbarten Ultraschallsensoren ähnlich ist, kann die entsprechende Frequenz, von den jeweiligen Sensoren detektiert werden. Aus dem zeitlichen Offset, mit dem das Signal von mehreren Sensoren empfangen wird, lässt sich so zum Beispiel auf Entfernung und Richtung eines Gegenstands zu dem sendenden und empfangenen Sensor schließen. Insbesondere bevorzugt ist es, wenn nicht nur einer der benachbarten Ultraschallsensoren das Signal des sendenden Ultraschallsensors mit empfängt, sondern mehr als einer, insbesondere alle der eingesetzten Ultraschallsensoren.By the use of a transmission frequency for each of the ultrasonic sensors, that of the resonant frequency of the transmitting ultrasonic sensor and at least one of the ultrasonic sensors adjacent to the transmitting ultrasonic sensor is, the corresponding frequency, from the respective sensors be detected. From the time offset with which the signal is received by several sensors, can be so to Example of distance and direction of an object to the sending and close the received sensor. Especially preferred it is, if not just one of the adjacent ultrasonic sensors receiving the signal from the transmitting ultrasonic sensor, but more than one, in particular all of the ultrasonic sensors used.

Um eine geeignete Sendefrequenz zu ermitteln, ist es zum Beispiel möglich, dass die einzelnen Sensoren jeweils mit einem Mikrocontroller ausgestattet sind und mit Hilfe der Mikrocontroller der Ultraschallsensoren die Frequenz aus den für die einzelnen Sensoren gemessenen Resonanzfrequenzen berechnet wird. Auch ist eine Kommunikation zwischen den Sensoren durch den Einsatz des Mikrocontrollers möglich. Neben der Ausgestaltung des Sensors mit einem Mikrocontroller ist es alternativ auch möglich, dass der Mikrocontroller Bestandteil eines ASICs ist.In order to determine a suitable transmission frequency, it is possible, for example, that the individual sensors are each equipped with a microcontroller and the frequency is calculated from the resonance frequencies measured for the individual sensors with the aid of the microcontroller of the ultrasonic sensors. Also, a communication between the sensors through the use of the microcontroller is possible. In addition to the design of the sensor with a microcontroller, it is alternative also possible that the microcontroller is part of an ASIC.

Neben einer gemeinsamen Ermittlung einer geeigneten Sendefrequenz ist es auch möglich, dass jeder Sensor für sich die Resonanzfrequenz ermittelt und dann mit den anderen Sensoren kommuniziert. Jeder Sensor kennt dann die Frequenzen der anderen und kann selbst die gemeinsame Resonanzfrequenz ermitteln. Ebenso kann der Sensor feststellen, wenn er selbst so weit außerhalb der Toleranz liegt, dass er nicht verwendet werden kann.Next a common determination of a suitable transmission frequency It is also possible for every sensor to own the Resonance frequency determined and then communicates with the other sensors. Everyone Sensor then knows the frequencies of others and can even the determine common resonance frequency. Likewise, the sensor can detect when he himself lies so far out of tolerance that he can not be used.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein gemeinsames Steuergerät eingesetzt, mit dem die einzelnen Ultraschallsensoren verbunden sind. Zur Ermittlung der Sendefrequenz wird in diesem Fall die Resonanzfrequenz der jeweiligen mit dem Steuergerät verbundenen Ultraschallsensoren an das Steuergerät übermittelt und aus den einzelnen Resonanzfrequenzen der jeweiligen Ultraschallsensoren die Sendefrequenz ermittelt. Die so ermittelte Sendefrequenz wird dann vom Steuergerät an die einzelnen Ultraschallsensoren übermittelt.In An embodiment of the invention will be a common Control unit used with which the individual ultrasonic sensors are connected. To determine the transmission frequency is in this Case the resonant frequency of each with the control unit transmitted ultrasonic sensors to the controller and from the individual resonance frequencies of the respective ultrasonic sensors, the Transmission frequency determined. The determined transmission frequency is then transmitted from the control unit to the individual ultrasonic sensors.

Durch die Bestimmung der Sendefrequenz aus den Resonanzfrequenzen der eingesetzten Ultraschallsensoren ist es möglich, die Ultraschallsensoren auch nach ihrer Montage aneinander anzugleichen. Ein Abgleich braucht nicht mehr in der Fertigung erfolgen. Zudem ist es möglich, die Frequenz auch im laufenden Betrieb zu ändern, indem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird. Hierdurch ist es zum einen möglich, die Temperaturabhängigkeit der einzelnen Ultraschallsensoren auszugleichen, zum anderen können auch Alterungseffekte kompensiert werden.By the determination of the transmission frequency from the resonance frequencies of It is possible to use the ultrasonic sensors even after their assembly to match each other. A balance needs no longer done in production. It is also possible to change the frequency even during operation by carried out the inventive method becomes. This makes it possible, on the one hand, the temperature dependence of the individual ultrasonic sensors, on the other hand also aging effects are compensated.

Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass durch den Angleich der Frequenzen im laufenden Betrieb kein Ausschuss auf Grund abweichender Frequenzen erfolgt. Zudem ist durch das erfindungsgemäße Verfahren die eingesetzte Vorrichtung unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen, das heißt Temperatur und Alterung, da diese Einflüsse durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgeglichen werden können.advantage the method according to the invention is that by adjusting the frequencies during operation no committee due to different frequencies. In addition, by the inventive Process the device used insensitive to Environmental influences, that means temperature and aging, because these influences by the inventive Method can be compensated.

Insbesondere zum Ausgleich von Temperaturabhängigkeiten und sonstigen Alterungserscheinungen ist es bevorzugt, das erfindungsgemäße Verfahren in vorgegeben Intervallen durchzuführen. Hierzu werden jeweils die Schritte (a) und (b) wiederholt. Die vorgegebenen Intervalle können entweder an Hand der Betriebsdauer der Ultraschallsensoren vorgegeben werden oder es werden variable Intervalle gewählt, wobei das Verfahren jeweils dann ausgeführt wird, wenn die Empfangsleistung einzelner Sensoren nachlässt.Especially to compensate for temperature dependencies and other Aging phenomena, it is preferred that inventive Perform procedures at predetermined intervals. For this the steps (a) and (b) are repeated in each case. The default Intervals can either be based on the operating time of the Ultrasonic sensors are given or variable intervals chosen, the method is then executed in each case becomes when the reception performance of individual sensors decreases.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung des Abstands zu einem Gegenstand, die mindestens zwei Ultraschallsensoren umfasst, wobei die Ultraschallsensoren als Sender und als Empfänger eingesetzt werden können und derart angeordnet sind, dass zumindest zu einem sendenden Ultraschallsensor benachbarte Ultraschallsensoren die gesendeten Impulse empfangen können, umfasst jeder der Ultraschallsensoren einen internen Mikrocontroller.at a device according to the invention for measurement the distance to an object, the at least two ultrasonic sensors comprising, wherein the ultrasonic sensors as a transmitter and as a receiver can be used and are arranged such that at least to a transmitting ultrasonic sensor adjacent ultrasonic sensors receive transmitted pulses, each of the Ultrasonic sensors use an internal microcontroller.

Den Mikrocontroller dient dazu, die Frequenz der Ansteuerung durch eine vorhergehende Messung durch den Mikrocontroller zu bestimmen. Dies ermöglicht es, den Sensor auch mit einer anderen Frequenz anzuregen, die zum Beispiel möglichst nahe an den Resonanzfrequenzen der anderen beteiligten Ultraschallsensoren liegt. Dies hat den Vorteil, dass der Abgleich auf eine Frequenz nicht mehr bei der Herstellung der Sensoren erfolgen muss, sondern im laufenden Betrieb erfolgen kann. Auf diese Weise ist es möglich, dass eine Gruppe von Sensoren die für sie günstigste Frequenz wählen kann. Wenn die Sensoren werkseitig vorsortiert werden, ist es möglich, auch Sensoren zu verwenden, die zum Beispiel außerhalb des üblichen Toleranzbandes liegen. So kann zum Beispiel eine Gruppe Sensoren eingesetzt werden, die gemeinsam entweder oberhalb oder unterhalb der vorgegebenen Toleranz liegen.The Microcontroller is used to control the frequency of the drive determine previous measurement by the microcontroller. this makes possible it also to stimulate the sensor with a different frequency to the Example as close as possible to the resonance frequencies of the others involved ultrasonic sensors is located. This has the advantage that the adjustment to a frequency is no longer in the production of the Sensors must be done, but can be done during operation. In this way it is possible for a group of sensors choose the cheapest frequency for you. If the sensors are pre-sorted at the factory, it is possible also to use sensors, for example, outside lie of the usual tolerance band. So can for example a group of sensors are used, either together above or below the specified tolerance.

Ein Ultraschallsensor, der für das Verfahren und die Vorrichtung eingesetzt werden kann, umfasst zum Beispiel einen Mikrocontroller, einen Treiber, eine Sensormembran und einen Signalverstärker. Der Controller kann zum Beispiel als 8-Bit-Controller ausgeführt sein. Neben der Ausführungsform, in der der Ultraschallsensor einen internen Mikrocontroller umfasst, ist es auch möglich, dass der Mikrocontroller Bestandteil eines ASICs ist.One Ultrasonic sensor used for the procedure and the device can be used, for example, includes a microcontroller, a driver, a sensor membrane and a signal amplifier. Of the Controller can run as an 8-bit controller, for example be. In addition to the embodiment in which the ultrasonic sensor includes an internal microcontroller, it is also possible that the microcontroller is part of an ASIC.

Mit dem Treiber werden die Steuersignale des Controllers in ein wesentlich stärkeres Signal umgewandelt. Durch das Anlegen einer Spannung wird in der als Piezoelement ausgeführten Sensormembran eine Bewegung erzeugt. Umgekehrt erzeugt auch jede Bewegung wieder eine Spannung, so dass der Sensor sowohl als Sender als auch als Empfänger verwendet werden kann. Mit Hilfe des Signalverstärkers wird das Messsignal für den Controller aufgearbeitet. Neben dem analogen Signal, das von der Sensormembran empfangen wurde, liefert der Signalverstärker auch ein Triggersignal. Das analoge Signal kann vom Controller ausgewertet werden, um Informationen über die Frequenz der Schwingung zu erhalten. Das Triggersignal ist ein von einem einfachen Komparator erzeugtes Signal, welches nur die Null-Durchgänge der Schwingung detektiert. Dadurch ist es möglich, die Frequenz noch genauer als mittels Abtastung durch einen Analog-Digital Umsetzer zu ermitteln.With the driver, the control signals of the controller are converted into a much stronger signal. By applying a voltage, a movement is generated in the sensor membrane designed as a piezoelectric element. Conversely, each movement again generates a voltage, so that the sensor can be used both as a transmitter and as a receiver. With the help of the signal amplifier, the measuring signal for the controller is processed. In addition to the analog signal received from the sensor membrane, the signal amplifier also provides a trigger signal. The analog signal can be evaluated by the controller to get information about the frequency of the vibration. The trigger signal is a signal generated by a simple comparator which detects only the zero crossings of the oscillation. This makes it possible to get the frequency even more accurate than by sampling through an ana determine log-digital converter.

Durch das Triggersignal kann auch die Phasenlage der Schwingung sehr genau ermittelt werden, so dass eine Messung mit einem AD-Wandler zu einem genau bestimmbaren Zeitpunkt gestartet werden kann. So kann trotz der Verwendung eines einfachen, relativ langsamen AD-Wandlers eine Spitzenwerterfassung des analogen Signalverlaufs realisiert werden. Das Auftreten des Maximums kann mit Hilfe der Frequenz und der Phasenlage vorhergesagt werden.By the trigger signal can also very accurately track the phase of the oscillation be determined so that a measurement with an AD converter to a can be started exactly determinable time. So can despite using a simple, relatively slow AD converter Peak detection of the analog waveform can be realized. The occurrence of the maximum can be determined by means of the frequency and the phase position be predicted.

Um die Resonanzfrequenz des Ultraschallsensors zu bestimmen wird die Sensormembran durch den Treiber kurz angeregt. Die Frequenzanregung muss dabei jedoch nicht genau der Sensorfrequenz entsprechen. Nach der Anregung wird der Treiber abgeschaltet und in den hochohmigen Zustand versetzt. Die Sensormembran schwingt selbstständig auf ihrer Resonanzfrequenz nach. Die Dauer der Schwingung kann sehr genau gemessen werden. Aus der Dauer wird die Resonanzfrequenz berechnet.Around To determine the resonance frequency of the ultrasonic sensor is the Sensor membrane briefly excited by the driver. The frequency excitation however, it does not have to correspond exactly to the sensor frequency. To the excitation the driver is switched off and in the high-impedance Condition offset. The sensor membrane oscillates independently at their resonant frequency. The duration of the oscillation can be very be measured exactly. The resonance frequency is calculated from the duration.

Bei einer Messung wird der Sensor mit der Resonanzfrequenz angeregt. In dieser Phase wird Ultraschall ausgesendet. Im Anschluss an das Senden muss die Membran schnell wieder zum Stillstand gebracht werden, um den reflektierten Schall messen zu können. Hierzu wird der Treiber hochohmig geschaltet, damit der Sensor frei schwingen kann. Sobald der Controller den Nulldurchgang des Stroms erkennt, beginnt dieser den Sensor gegenphasig anzusteuern. Nach einigen Perioden muss die Ansteuerung erneut mit dem Schwingkreis synchronisiert werden. Hierzu wird der Treiber wieder hochohmig geschaltet und eine selbständige Schwingung abgewartet. Danach wird erneut gegenphasig angesteuert, eventuell mit vermindertem Tastgrad oder geringerer Ansteuerspannung, um den Schwingkreis nicht zu stark zu bremsen und damit eventuell wieder anzuregen. Auf diese Weise wird ein verbleibendes Sensorsignal erhalten, das klein genug ist, dass der reflektierte Schall detektiert werden kann.at In a measurement, the sensor is excited at the resonant frequency. In this phase ultrasound is emitted. Following the Send the membrane must be quickly brought to a standstill, to measure the reflected sound. For this purpose is The driver is switched to high impedance so that the sensor oscillates freely can. Once the controller detects the zero crossing of the current, This begins to control the sensor in anti-phase. After a few Periods, the control must be synchronized again with the resonant circuit. For this purpose, the driver is again switched to high impedance and an independent Oscillation awaited. Thereafter, it is again driven in anti-phase, possibly with reduced duty cycle or lower drive voltage, so as not to brake the oscillating circuit too much and thus possibly to stimulate again. In this way, a remaining sensor signal which is small enough that the reflected sound is detected can be.

Alternativ ist es auch möglich, beim gegenphasigen Ansteuern prinzipiell einen kleineren Tastgrad zu wählen, so dass der Sensor am Ende einer Ansteuerung kurz frei schwingen kann. Hierdurch lässt sich die Ansteuerung bei jeder Periode synchronisieren.alternative it is also possible, in principle, in antiphase driving to choose a smaller duty cycle, so that the sensor can oscillate freely at the end of a control. This leaves the control synchronize at each period.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention are illustrated in the figures and in the explained in more detail below description.

Es zeigen:It demonstrate:

1 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, 1 a schematic structure of a device according to the invention,

2 einen schematischen Aufbau eines geeignetes Ultraschallsensors. 2 a schematic structure of a suitable ultrasonic sensor.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In 1 ist schematisch ein Aufbau einer geeigneten Vorrichtung zur Messung des Abstandes zu einem Gegenstand dargestellt.In 1 schematically a construction of a suitable device for measuring the distance to an object is shown.

Eine Vorrichtung 1 zur Messung des Abstandes zu einem Gegenstand umfasst ein Steuergerät 3 und mindestens zwei Ultraschallsensoren 5. In der hier dargestellten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 1 drei Ultraschallsensoren. Es können jedoch auch mehr als drei Ultraschallsensoren 5 von der Vorrichtung umfasst sein. Die Ultraschallsensoren 5 sind jeweils mit dem Steuergerät 3 verbunden, wobei jeweils sowohl Signale vom Steuergerät 3 an die Ultraschallsensoren 5 gesendet werden können, als auch von den Ultraschallsensoren 5 gesendete Signale vom Steuergerät 3 empfangen werden können.A device 1 for measuring the distance to an object comprises a control unit 3 and at least two ultrasonic sensors 5 , In the embodiment illustrated here, the device comprises 1 three ultrasonic sensors. However, there may be more than three ultrasonic sensors 5 to be encompassed by the device. The ultrasonic sensors 5 are each with the control unit 3 connected, each with both signals from the control unit 3 to the ultrasonic sensors 5 can be sent as well as from the ultrasonic sensors 5 sent signals from the control unit 3 can be received.

Um die mit dem Steuergerät 3 verbundenen Ultraschallsensoren 5 untereinander abzugleichen wird zunächst die Resonanzfrequenz der Ultraschallsensoren 5 gemessen. Die jeweiligen Resonanzfrequenzen der einzelnen Ultraschallsensoren 5 werden dann an das Steuergerät 3 übermittelt. Aus den von den einzelnen Ultraschallsensoren 5 übermittelten Resonanzfrequenzen ermittelt das Steuergerät 3 die Frequenz, die den Resonanzfrequenzen der einzelnen Ultraschallsensoren 5 am nächsten kommt. Dabei kann das arithmetische Mittel der Resonanzfrequenzen der beteiligten Sensoren als Sendefrequenz verwendet werden. Es ist auch möglich, Sensoren, die eine besonders große Abweichung in ihrer Resonanzfrequenz aufweisen, zum Beispiel durch einen Defekt, aus der Gruppe auszuschließen. Die verbleibenden Sensoren würden dann eine noch ähnlichere gemeinsame Sende- und Empfangsfrequenz verwenden, was zu einer besseren Empfindlichkeit führt.To the with the control unit 3 connected ultrasonic sensors 5 first of all, the resonance frequency of the ultrasonic sensors is compared to one another 5 measured. The respective resonance frequencies of the individual ultrasonic sensors 5 then go to the controller 3 transmitted. From those of the individual ultrasonic sensors 5 transmitted resonance frequencies determined by the controller 3 the frequency, the resonance frequencies of the individual ultrasonic sensors 5 comes closest. In this case, the arithmetic mean of the resonance frequencies of the sensors involved can be used as the transmission frequency. It is also possible to exclude sensors, which have a particularly large deviation in their resonance frequency, for example by a defect, from the group. The remaining sensors would then use an even more similar common transmit and receive frequency, resulting in better sensitivity.

Die den Resonanzfrequenzen der einzelnen Ultraschallsensoren 5 am nächsten kommende Frequenz wird dann an den Ultraschallsensor 5 übermittelt, der diese als Sendefrequenz verwendet.The resonance frequencies of the individual ultrasonic sensors 5 the next coming frequency is then sent to the ultrasonic sensor 5 transmitted using this as the transmission frequency.

Je nach Resonanzfrequenz der einzelnen Ultraschallsensoren kann die Sendefrequenz für jeden der Ultraschallsensoren 5 von der Sendefrequenz der anderen Ultraschallsensoren 5 abweichen. Daher ist es bevorzugt, die jeweilige als Sendefrequenz geeignete Frequenz für jeden der Ultraschallsensoren 5 separat zu ermitteln und nicht eine gemeinsame Sendefrequenz für alle Ultraschallsensoren 5 einzusetzen. Je nach Resonanzfrequenz der einzelnen Ultraschallsensoren 5 ist es jedoch auch möglich, dass alle Ultraschallsensoren 5 die gleiche Sendefrequenz verwenden.Depending on the resonant frequency of the individual ultrasonic sensors, the transmission frequency for each of the ultrasonic sensors 5 from the transmission frequency of the other ultrasonic sensors 5 differ. Therefore, it is preferable that the respective frequency suitable for the transmission frequency for each of the ultrasonic sensors 5 separately and not a common transmission frequency for all ultrasonic sensors 5 use. Depending on the resonance frequency of the individual ultrasonic sensors 5 However, it is also possible that all ultrasonic sensors 5 use the same transmission frequency.

Neben der hier dargestellten Ausführungsform, bei der die Ultraschallsensoren 5 jeweils mit dem Steuergerät 3 verbunden sind, ist es auch möglich, die Ultraschallsensoren 5 untereinander zu verbinden und auf den Einsatz eines Steuergerätes zu verzichten. In diesem Fall muss die als Sendefrequenz verwendete Frequenz von den Ultraschallsensoren 5 eigenständig ermittelt werden. Dies kann zum Beispiel über die Verschaltung oder mit Hilfe der in den Ultraschallsensoren 5 enthaltenen Mikrocontroller erfolgen.In addition to the embodiment shown here, in which the ultrasonic sensors 5 each with the control unit 3 It is also possible to use the ultrasonic sensors 5 to connect with each other and to dispense with the use of a control unit. In this case, the frequency used as the transmission frequency must be from the ultrasonic sensors 5 be determined independently. This can be done, for example, via the interconnection or with the help of the ultrasonic sensors 5 contained microcontroller done.

Verwendet wird die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise für Einparkhilfen für Kraftfahrzeuge. Für derartige Einparkhilfen ist es erforderlich, sowohl die Entfernung zu einem Hindernis als auch die Richtung des Hindernisses festzustellen. Durch die Schalllaufzeiten, das heißt der Offset zwischen dem Senden des Signals und dem Empfang des Signals kann auf die Entfernung des Gegenstandes von einem Sensor geschlossen werden. Aus dem Zeit-Offset des Empfangs unterschiedlicher Sensoren kann die Richtung bestimmt werden. Damit sich die Signale der einzelnen Sensoren nicht überschneiden ist es vorteilhaft, wenn die Sensoren nacheinander ein Signal aussenden, wobei der nächste Sensor sein Signal erst dann aussendet, wenn das Signal des vorhergehenden Sensors empfangen worden ist. Alternativ kann eine Unterscheidung auch dadurch erfolgen, dass die Sensoren jeweils mit leicht unterschiedlichen Frequenzen senden, so dass durch die Frequenz des empfangenden Signals erkannt wird, von welchem der Sensoren das Signal gesendet worden ist.used the device according to the invention is preferably for parking aids for motor vehicles. For Such parking aids require both the distance to determine an obstacle as well as the direction of the obstacle. By the sound running times, that is the offset between the Sending the signal and receiving the signal may affect the distance of the object are closed by a sensor. From the time offset the reception of different sensors can determine the direction become. So that the signals of the individual sensors do not overlap it is advantageous if the sensors send one signal in succession, with the next sensor emitting its signal when the signal from the previous sensor has been received. Alternatively, a distinction can also be made by send the sensors each with slightly different frequencies, so that is recognized by the frequency of the receiving signal from which of the sensors the signal has been sent.

Wenn Gegenstände aus unterschiedlichen Richtungen erkannt werden sollen, zum Beispiel am Frontbereich und am Heckbereich eines Kraftfahrzeuges, ist es möglich, die eingesetzten Ultraschallsensoren 5 in Gruppen einzuteilen. Eine Einteilung erfolgt dabei vorzugsweise nach Sensoren die im Heckbereich und Sensoren, die im Frontbereich eingesetzt werden. Im Allgemeinen arbeiten die Sensoren, die im Frontbereich des Kraftfahrzeuges angeordnet sind, nicht mit den Sensoren, die im Heckbereich des Fahrzeuges angeordnet sind, zusammen, so dass diese sich nicht gegenseitig hören können. Alternativ ist es auch möglich, stark voneinander abweichende Sensoren jeweils zu den Gruppen zusammenzufassen, so dass sich die jeweiligen Sendefrequenzen der einzelnen Gruppen so stark voneinander unterscheiden, so dass diese die Messwerte der Sensoren der anderen Gruppen nicht beeinflussen.If objects are to be detected from different directions, for example at the front and rear of a motor vehicle, it is possible to use the ultrasonic sensors 5 to divide into groups. A classification is preferably carried out according to sensors in the rear area and sensors that are used in the front area. In general, the sensors located in the front of the vehicle do not cooperate with the sensors located in the rear of the vehicle so that they can not hear each other. Alternatively, it is also possible to combine highly divergent sensors in each case to form the groups, so that the respective transmission frequencies of the individual groups differ so much from one another that they do not influence the measured values of the sensors of the other groups.

Damit die Sensoren einer Gruppe jeweils die Signale der anderen Ultraschallsensoren der Gruppe empfangen können, ist es jedoch erforderlich, dass innerhalb einer Gruppe nur Sensoren eines Typs, das heißt mit einer ähnlichen Resonanzfrequenz verwendet werden. Eine Einteilung könnte zum Beispiel in Sensoren mit einer positiven beziehungsweise einer negativen Abweichung von der durchschnittlichen Resonanzfrequenz erfolgen.In order to the sensors of one group respectively the signals of the other ultrasonic sensors however, it is necessary to that within a group only sensors of one type, that is be used with a similar resonant frequency. For example, a classification could be in sensors with a positive or a negative deviation from the average resonance frequency respectively.

Neben der hier dargestellten Ausführungsform ist es bei Einsatz eines Mikrocontrollers entweder als integraler Bestandteil der Ultraschallsensoren 5 oder als Bestandteil eines ASICs möglich, auf das Steuergerät zu verzichten. In diesem Fall übernimmt der Mikrocontroller die Aufgaben des Steuergerätes. So kann zum Beispiel jeder Ultraschallsensor 5 seine Resonanzfrequenz bestimmen und diese an die übrigen Ultraschallsensoren 5 senden. Die Mikrocontroller der einzelnen Ultraschallsensoren 5 bestimmen dann aus den empfangenen Resonanzfrequenzen die geeignete Sendefrequenz. Alternativ ist es auch möglich, dass nur einer der Mikrocontroller die Sendefrequenz ermittelt und diese dann an die übrigen Ultraschallsensoren sendet.In addition to the embodiment shown here, it is when using a microcontroller either as an integral part of the ultrasonic sensors 5 or as part of an ASIC possible to dispense with the controller. In this case, the microcontroller takes over the tasks of the control unit. For example, every ultrasonic sensor 5 determine its resonance frequency and this to the other ultrasonic sensors 5 send. The microcontroller of the individual ultrasonic sensors 5 then determine from the received resonant frequencies the appropriate transmission frequency. Alternatively, it is also possible that only one of the microcontroller determines the transmission frequency and then sends it to the other ultrasonic sensors.

Der schematische Aufbau eines Ultraschallsensors, wie er in der in 1 dargestellten Vorrichtung eingesetzt wird, ist in 2 dargestellt.The schematic structure of an ultrasonic sensor, as shown in the in 1 is used, is shown in 2 shown.

Ein Ultraschallsensor 5 umfasst einen internen Mikrocontroller 7, der zum Beispiel als 8-Bit-Controller ausgeführt ist. Der Controller 7 ist mit einem Treiber 9 verbunden. Mit dem Treiber 9 wird ein Steuersignal des Controllers 7 in ein stärkeres Signal umgewandelt. Als Treiber eignet sich zum Beispiel eine Push-Pull-Transistorstufe. Die Spannung dieser Transistorstufe kann mit Hilfe eines Übertragers auf ein geeignetes Niveau transformiert werden.An ultrasonic sensor 5 includes an internal microcontroller 7 which is designed as an 8-bit controller, for example. The controller 7 is with a driver 9 connected. With the driver 9 becomes a control signal of the controller 7 converted into a stronger signal. The driver is, for example, a push-pull transistor stage. The voltage of this transistor stage can be transformed by means of a transformer to a suitable level.

Das vom Treiber 9 verstärkte Signal wird an eine Sensormembran 11 übertragen. Die Sensormembran 11 ist als Piezoelement ausgeführt, so dass das Anlegen einer Spannung eine Bewegung der Membran erzeugt. Somit wird durch das Anlegen der Spannung ein Signal von der Sensormembran ausgesandt. Im anderen Fall wird ein auf den Ultraschallsensor 5 auftreffendes Signal von der Sensormembran 11 empfangen, in dem diese in Schwingungen versetzt wird. Die Schwingungen erzeugen dann wiederum eine Spannung. Diese Spannung wird an einem Signalverstärker 13 übertragen, der das Signal für den Controller 7 aufbereitet und an den Controller 7 übermittelt. Neben dem analogen Messsignal der Sensormembran 11 wird vom Signalverstärker 13 auch ein Triggersignal an den Controller 7 übertragen.The driver 9 amplified signal is sent to a sensor membrane 11 transfer. The sensor membrane 11 is designed as a piezoelectric element, so that the application of a voltage generates a movement of the membrane. Thus, by applying the voltage, a signal is emitted from the sensor membrane. In the other case, an on the ultrasonic sensor 5 impinging signal from the sensor membrane 11 received, in which this is vibrated. The vibrations then generate a voltage again. This voltage is applied to a signal amplifier 13 transmit the signal to the controller 7 prepared and sent to the controller 7 transmitted. In addition to the analog measuring signal of the sensor membrane 11 is from the signal amplifier 13 also a trigger signal to the controller 7 transfer.

Das Triggersignal ist ein von einem Komparator erzeugtes Signal, das dem Controller den Nulldurchgang der Schwingung anzeigt. Dieses Signal kann direkt von einem Interrupt-Eingang verarbeitet werden, was erhebliche Vorteile gegenüber der Abtastung mit Hilfe eines AD-Wandlers bringt.The trigger signal is a signal generated by a comparator which indicates to the controller the zero crossing of the oscillation. This signal can be processed directly by an interrupt input which brings significant advantages over sampling with the aid of an AD converter.

Durch den Mikrocontroller 7 ist es möglich, zunächst die Sensormembran 11 in Schwingungen zu versetzten. Gleichzeitig kann durch ein geeignetes Signal vom Mirkocontroller die Sensormembran 11 mit Hilfe des Treibers 9 gegenphasig angesteuert werden, um die Schwingungen der Sensormembran 11 zu dämpfen. Dies ermöglicht ein schnelles Ausschwingen der Sensormembran, so dass diese bereits nach sehr kurzer Zeit wieder als Empfänger zur Verfügung stehen kann.Through the microcontroller 7 It is possible, first, the sensor membrane 11 to vibrate. At the same time, by a suitable signal from the microcontroller, the sensor membrane 11 with the help of the driver 9 be controlled in phase opposition to the vibrations of the sensor membrane 11 to dampen. This allows a fast decay of the sensor membrane so that it can be available again as a receiver after a very short time.

Um die einzelnen Ultraschallsensoren 5 der Vorrichtung 1 untereinander abgleichen zu können, ist es notwendig, die Resonanzfrequenz eines jeden der Ultraschallsensoren 5 zu bestimmen. Hierzu wird zunächst die Sensormembran 11 durch den Treiber 9 angeregt, wobei die Frequenz der Anregung nicht der Resonanzfrequenz entsprechen muss. Nach der Anregung wird der Treiber abgeschaltet und in den hochohmigen Zustand versetzt. Die Sensormembran 11 schwingt selbstständig auf ihrer Resonanzfrequenz nach. Die Dauer der Schwingung kann sehr genau gemessen werden Dazu wird das Triggersignal durch den Mikrocontroller ausgewertet. Als Referenz dient die Taktbasis des Controllers, die zumeist aus einem Quarzoszillator besteht. Aus der Dauer der Schwingung wird dann die Resonanzfrequenz berechnet.To the individual ultrasonic sensors 5 the device 1 It is necessary to match the resonant frequency of each of the ultrasonic sensors 5 to determine. For this purpose, first the sensor membrane 11 through the driver 9 stimulated, wherein the frequency of the excitation does not have to correspond to the resonant frequency. After the excitation, the driver is switched off and put in the high-impedance state. The sensor membrane 11 independently vibrates at its resonant frequency. The duration of the oscillation can be measured very accurately. For this, the trigger signal is evaluated by the microcontroller. As a reference, the clock base of the controller, which consists mostly of a quartz oscillator. From the duration of the oscillation then the resonance frequency is calculated.

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Claims (10)

Verfahren zum Abgleich von mindestens zwei Ultraschallsensoren (5), die so zueinander positioniert sind, dass die von einem Ultraschallsensor (5) gesendeten Signale auch von mindestens einem weiteren Ultraschallsensor (5) empfangen werden können, umfassend folgende Schritte: (a) Messen der Resonanzfrequenz aller eingesetzten Ultraschallsensoren (5), (b) Verwenden einer Sendefrequenz für jeden der Ultraschallsensoren (5), die der Resonanzfrequenz des sendenden Ultraschallsensors (5) und mindestens einem dem sendenden Ultraschallsensor (5) benachbarten Ultraschallsensor (5) ähnlich ist.Method for matching at least two ultrasonic sensors ( 5 ), which are positioned relative to each other, that of an ultrasonic sensor ( 5 ) transmitted signals from at least one further ultrasonic sensor ( 5 ), comprising the following steps: (a) measuring the resonant frequency of all the ultrasonic sensors used ( 5 ), (b) using a transmission frequency for each of the ultrasonic sensors ( 5 ), the resonance frequency of the transmitting ultrasonic sensor ( 5 ) and at least one transmitting ultrasonic sensor ( 5 ) adjacent ultrasonic sensor ( 5 ) is similar. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt (b) verwendete Sendefrequenz aus den Resonanzfrequenzen der einzelnen Ultraschallsensoren (5) ermittelt wird.Method according to claim 1, characterized in that the transmission frequency used in step (b) consists of the resonance frequencies of the individual ultrasonic sensors ( 5 ) is determined. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Sendefrequenz ein gemeinsames Steuergerät (3) verwendet wird, das mit den Ultraschallsensoren (5) verbunden ist.A method according to claim 1 or 2, characterized in that for determining the transmission frequency, a common control device ( 3 ) used with the ultrasonic sensors ( 5 ) connected is. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendefrequenz vom Steuergerät (3) an die einzelnen Ultraschallsensoren (5) übermittelt wird.A method according to claim 3, characterized in that the transmission frequency from the control unit ( 3 ) to the individual ultrasonic sensors ( 5 ) is transmitted. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Ultraschallsensor (5) für sich die Resonanzfrequenz ermittelt und dann mit den übrigen Ultraschallsensoren (5) kommuniziert.Method according to claim 1 or 2, characterized in that each ultrasonic sensor ( 5 ) determined by itself the resonance frequency and then with the other ultrasonic sensors ( 5 ) communicates. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte (a) und (b) in vorgegebenen Intervallen zum erneuten Abgleich der Ultraschallsensoren (5) wiederholt werden.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the steps (a) and (b) at predetermined intervals for re-adjustment of the ultrasonic sensors ( 5 ) be repeated. Vorrichtung (1) zur Messung des Abstands zu einem Gegenstand, umfassend mindestens zwei Ultraschallsensoren (5), wobei die Ultraschallsensoren (5) als Sender und als Empfänger eingesetzt werden können und derart angeordnet sind, dass zumindest zu einem sendenden Ultraschallsensor (5) benachbarte Ultraschallsensoren (5) die gesendeten Impulse empfangen können, dadurch gekennzeichnet, dass zum Frequenzabgleich jeder der Ultraschallsensoren (5) einen internen Mikrocontroller (7) umfasst oder ein Mikrocontroller als Bestandteil eines ASICs eingesetzt wird.Contraption ( 1 ) for measuring the distance to an object comprising at least two ultrasonic sensors ( 5 ), wherein the ultrasonic sensors ( 5 ) can be used as a transmitter and as a receiver and are arranged such that at least to a transmitting ultrasonic sensor ( 5 ) adjacent ultrasonic sensors ( 5 ) can receive the transmitted pulses, characterized in that for the frequency adjustment of each of the ultrasonic sensors ( 5 ) an internal microcontroller ( 7 ) or a microcontroller is used as part of an ASIC. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Steuergerät (3) umfasst ist, um eine geeignete Sendefrequenz zu ermitteln und an die Ultraschallsensoren (5) zu übermitteln.Device according to claim 6, characterized in that furthermore a control device ( 3 ) to determine a suitable transmission frequency and to the ultrasonic sensors ( 5 ). Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Gruppe von mehr als zwei Ultraschallsensoren (5) umfasst, wobei jeder Ultraschallsensor (5) der Gruppe die von einem anderen der Ultraschallsensoren (5) gesendeten Signale empfangen und verarbeiten kann.Device according to claim 6 or 7, characterized in that the device comprises a group of more than two ultrasonic sensors ( 5 ), each ultrasonic sensor ( 5 ) group of another of the ultrasonic sensors ( 5 ) can receive and process transmitted signals. Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8 als Einparkhilfe für ein Kraftfahrzeug.Use of the device according to one of Claims 6 to 8 as a parking aid for a motor vehicle.
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